автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Определение рациональных конструкций и режимов работы цилиндрических подметальных щеток для малогабаритных машин

Р Г Б ОД

ч , -: I I

г ^ п

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ JsS^, МАЛИ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

АХВЛЩАНИ Хвича Дисионович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И РЕЖЮВ РАБОТЫ ЩШНДШЧЕСКИХ ПОДМЕТАЛЬНЫХ ЩЕТОК ДЛЯ МАЛ) ГАБАВШЫХ МА1ШН

05.05.04 - Дорошше и строительные машины

Автореферат

диссертации на соискание'ученой степени кандидата технических наук

L МОСКВА 1994 J

Работа выполнена в Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (Техническом Университете) на кафедре дорожно-строительных машин.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент [А.Б.Ермидов|

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

проф. И.А. Недорезов

кандидат технических наук И.С.Гласко

Ведущее предприятие - Академия коммунального хозяйства им. К.Д.Памфилова

Защита состоится " " 1995 г. в (0 часов на

заседании специализированного совета К-053-»30 .II при Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (Техническом ■Университете) по адресу: 12582Э ГСП, Москва-, А-315-, Ленинград- -• ский проспект, 64, МГАДЙ, ауд. ^С .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАДИ.

Отзывы представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефон для справок 155-03-28.

Автореферат разослан "/5~ " 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета K-053.30.II

кавдвдат технических наук, профессор Г.С.ШРЭОЙН

ОБЩАЯ ХАРАШЕИСШКА РАКШ

Актуальность работы. Широкий размах жилищного строительства в нашей стргше обусловил значительное увеличение площадей городск!сс проездов, тротуаров и внутркквартаяьных территорий с усовершенствованными асфальтовыми покрытиями, содержание которые в чистоте з.различное время года является одной из важнейших задач коммунальных служб современного города. Необходимость своевременной и качественной уборки определяется санитарными требованиями, а также обеспечением условий беспрепятственного и безопасного перзкещзния пешеходов.

Площадь тротуаров городских магистралей в г.Москве составляет 19,7 млн. кв.м, внутриквартальных проездов с усовершенствованными покрытиями 41,3 млн. кв.м, дворовых территорий с-усовершенствованными покрытиями - 37 млн. кв.м, причем наиболее вероятной является ширина троауаров 2...2,5 ы, составляющих по площади вероятность более 40%. Это предполагает использование подметальных машин малых' типоразмеров на высокбманевреннкх 'базовых шасси и обеспечение прогрессивных технологий уборки, исключающих холостые проходы нашн, что в полной мерз соответствует цилиндрическим подметальным щеткам с боковым изгибом ворса. Потребность в таких маликах при зимнем ссдеркакли дорог и тротуаров в среднем в 2...3 раза выше по сравнению с потребностью з летних подкетально-уборочных и поливочно-коечшх машинах. При осуществлении зкыней снегоочистки часто приходится ■ изменять направленна движения машины по криволинейный траекториям, а такяе изменять направления отбрасывания циливдрячески-мя щетками снега в зависимости от технологических условий работы. Таким образом, актуальность работы обеспечивает повыше-,ние эффективности процесса подметания на базе использования

г

: ч

I I— —•

Научно обоснованных новых конструктивных решений подметальных и подметально-уборочных машин, в частности, цилиндрических щеток с боковым изгибом ворса.

Цельв работа является разработка рациональной конструкции, опрэдепение параметров и режимов работы цилиндрических подметальных щеток с боковым изгибом ворса.

Методы исследований. Для реализации поставленной цели ра~ | боты в части теоретических исследований использовались следую-

1 щие метода?

1 математическое и физическое моделирование рабочих процес-

сов цилиндрической подметальной щетки;

многофакторное планирование и статическая обработка экспериментальных данных. ; В экспериментальных исследованиях применялись современные

методы моделирования и измерений параметров рабочего процесса цилиндрической подметальной щетки. I Объект исследования: при проведении исследований исполь-

: зовались физические масштабные модели цилиндрической щетки.

| Научная новизна работы представлена: комплексом дифферен-

циальных уравнений движения фрагмента загрязнений по прутку ворса при восстановлении прогиба прутка, изменения прогиба под действием сил со стороны фрагмента загрязнений и свободных кодвбаний упругого прутка ворса при восстановлении прогиба с учетом присоединенной массы загрязнений; зависимостью дальности отбрасывания фрагмента от его радиуса и частоты барабана; регрессионными моделями, определяющими влияние геометрических параметров отражателей ворса (шаг а установки отрагателай, ; угол £ установки отражателей в горизонтальной плоскости, коор-

динат X я У расположения концов отражателей ворса в радиальной 1.2 _

г 1

плоскостк вращения щетки и угла сА наклона отракателай в взр-калъной радиальной плоскости относительно горизонта) я ражнтв работы цилиндрической щетки на силовые характеристики процесса подметания; регрессионном! моделями, определявшими влияние рейтов работы щетки (частота вращения щетки п , толщина Д слоя материала, подаваемого транспортером к щетке, переносная скорость V псщечн материала к щетке) на силовые и энергетические параметры к эффективность процесса отбрасывания материала цилиндрической щеткой; методикой расчета к выбора основных аараштров щеток с боковым, изгибом ворса.

Практическое значение работы определяемся методикой приближенного йнзического моделирования рабочего процесса циливдри-ческой щетки, позволяющей существенно уменьшить трудовые и материальные затраты при проведении эксперимгнтальннх исследований; рекомендациями по выбору конструктивных схем; методикой .. расчета и выбора основных иарагатров щеток с боковым изгибом ворса; конструкцией экспериментального стеада для лабораторных исследований процесса баллистического отбрасывания фрагментов материала упругим. элементом.

Реализация работа. Результаты исследования и разработанные рекомендации по выбору рациональной конструкции и режимов работы цилиндрических подметальных щеток с боковым изгибом вор- -са внедрены в Управлении дорожного хозяйства мэрии г.Еутаиси. Методика приближенного физического моделирования рабочего процесса циливдрнчеекой. щетки используется в учебноы я научно-исследовательском .процессе Еа кафедрэ "Дорожные' машина" ЫЩИ.

Апробатая работы. Основные положения диссертационной ра-

/

• ботн докладывались на 48-й, 49-й, 50-й, 51-й и 52-й научно-

исследовательских конференциях МГДЦИ в 1290-1994 гг. ж на республиканской конференции ВИСИ з 1992 г. Диссертация в целом I заслушана ж одобрена на заседании кафедры дороано-строитель-

¡' них шпптн МЩИ.в 1994 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 ста: тей, 2 изобретения защищены авторскими1 свидетельствами, зареги-! стрировано 6 решений Госкомизобретешй о признании заявки изоб-' ретениеы. .

I Объем ж структура работы.Диссертационная работа состоит

I

! из введения и пяти-глав,' основных выводов по результатам иссле-

дований и приложений. Содержание работы изложено на 284 страница!, из них 175 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 13 -; таблиц, список литературы и приложение на 34 страницах.

На заккту выкосятся: ■ •

системная модель подметальной машины и процесса отбрасы-I вания загрязнений при подметании;

; результаты теоретических и экспериментальных исследований

процесса отбрасывания единичных загрязнений упругими элементами;

методика и основные, результаты экспериментальных исследований щлвдцрических щеток с боковым изгибом ворса, результаты их исследований в сравнении с цилиндрической косо установленной щеткой;

методика определения основных конструктивных параметров -| и режимов работы цилиндрических щеток с боковым изгибом ворса;

основные конструктивные схемы цилиндрических щеток с боковым изгибом ворса и методы их испытаний;

основные технологические приемы работы годаеталшых щеток ) с боковым изгибом ворса, методы определения их производительности и техгако-экокомической эффективности. •

СОДЕРКАНИЕ РАЗШ

Во взедеики отмечается актуальность создания малогабаритной высокоманевреняой подметальной техники для сокращения затрат доли ручного труда при уборке тротуаров и дворовых территорий. Указываются основные, положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе диссертации проведен анализ фона эксплуатации подметальных и подыет'ально-уборочных мапин, расскэтрены конструкции к патентно-технические решения в области цилиндрических, подметальных щеток, сделан обзор и анализ теоретических и экспериментальных исследований по взаимодействию подметальных рабочих органов с дорожным покрытием и загрязнениями или снегом.

В настоящее время хозяйство по содержанию городских территорий испытывает недостаток механизированных сред: тв. Например, потребность городских хозяйств в уборочных машинах удовлетворена на 2)...35%. При этом уборка тротуаров, пешеходных дорожек осуществляется средствами механизации, базирующимися на автомобильных и тракторных шасси. Эффективность использования данных типов машин на узких дорожках резко падает. Поэтому песед городскими хоэяйс® ами остро стоит проблема обеспечения их срздства-малой механизации.

Тротуар!, пешяхадине дорожки, проезда и двора ей территории, которые нецелесообразно убирать крупногабаритными уборочными машинами по причине их малой маневренности и связанного с этим низкого качества уборки, .а также несоответствия достаточно боль-, шой производительности со сравнительно малыми объекаиЕ уборочных работ, необходимо обслуживать самоходными малогабаритяыми малы-

| наш, которые обеспечивают высокую маневренность вследствие лых величин радиуса поворота, длины базы и ширины колеи при относительно малой ширине уборки. В то же время известные конструкции щеточного оборудования взаимодействуют с дороаним покрытием и загрязнениями или снегом по одной традиционной схеме, на обеспечивающей эффективное перемещение ворсом материала в сторону от направления движения машины. Кроме то?о, среди известных конструкций цилиндрических щеток отсутствуют приспособления, позволяющие производить эффективное подметание дорожных покрытий при движении малогабаритной подметальной машины по криволинейным траекториям с малыми радиусами кривизны, что характерно для уборки тротуаров и дворовых территорий, и отбрасывания материала ворсом цилиндрической щетки как внутрь, так и наружу относительно этой криволинейной траектории движения.

Цилиндрические щетки с боковым изгибом ворса существенно расширяют область использования уборочных машин и обеспечивают' увеличение производительности при более совершенных технологических приемах рабо1- по содержанию городских территорий, что является предпосылкой для определения подметальных щеток такого • типа в качестве предмета исследования. Типичным недостатка! рассмотренных конструкций щеточных устройств с боковым изгибом ворса является отсутствие рекомендаций по конструктивным параметрам отражателей ворса. В основном патентно-технические решения » данной области касаются различных вариантов механизмов управления отражателями ворса.

Изучению процессов подметания.цилиндрическими щетками посвящены работы отечественных ученых В.И.Баловнеза, Л.М.Гусева, Г.Л.Карабана, А.П.Филатова, Ю.Ф.Золотсва, В.В.Хоминича, А.М.Гу-ськова, О.И.Буковца, А.Б. Ермилова и др.

I При проведении экспериментальных иссждований абразивного I и усталостного износа щеточного ворса подметального и подметаль-но-уборочного оборудования известны работы Б.М.Долгакяна и В.В. Дронова, которое позволили обосновано оценить технико-экономиче-ску® эффективность замены и восстановления ворса. Результаты зтих работ нашли отражение современных конструкций подметально-. уборочных к подметальных машин. В то же время практически не исследованы цилиндрические щетки с боковым изгибом ворса, не проведено сравнительных экспериментальных исследоанкб эффективности и рациональных параметров процесса подметания татами щетками и косо установленными щетками. Не разработана методика приближенного физического моделирования щеточных устройств, которая является основой сравнительных экспериментальных исследований.

■ В соответствии с поставленной целью работы были сформулированы и решены следующие задачи: '

разработка конструкции цилиндрического, щеточного оборудования, обеспечивающего эффективное подметание твердых покрытий;

разработка и анализ теоретической модели отбрасывания материала ворсом щетки на основе дифференциальных уравнений относительного и переносного движения конца ворсинки при отрыве от дорояного покрытия и фрагмента материала, отбрасываемого ворсинкой ;

экспериментальное исследование процесса отбрасывания фрагмента материала концом ворсинки на- моделирующем стенде для оценки адекватности теоретической модели;

экспериментальное исследование рабочих процесса модели цилиндрической подметальной щетки с боковым" изгибом ворса на экспериментальном транспортерном стенде;

разработка методик приближенного физического моделирования,

ы ы

I .

■ '

¡расчета и прзектирования и анализ технико-экономической Еффектйв} ности подметальных машин с боковым изгибом ворса.

Во второй глазе на основе системного подхода разработана структурная блок-схема системной модели подметального оборудования для зимнего содержания дорог, с интенсификатором для бокового изгиба щеточного ворса, проведен анализ структур* процесса отбрасывания материала ворсом цилиндричес к о й щетки. Целевыми функциями низшего ранга, непосредственно связанными с процессом взаимодействия цившдрической щетки со снегом и дородным покрытием, является: качество подметания, которое показывает относительную

• массу снега а загрязнений, оставшихся на дорожном покрытии после прохода щетка; сила взаимодействия щетки с дорогой - горизонтальная и вертикадьная; износ ворса; энергоемкость - затраты мощнос-

| ти в единицу времени на привод подметального оборудования. Кри-

териями более высокого ранга является обобщенные целевые.функции многопараиетрггзского вида; дальность отбрасывания снега щеточным ворсом; техническая производительность щетки при подметании дороги, которая характеризуется шириной захвата щетки и скоростью переносного движения вдоль поверхности дороги; удельная материалоемкость; удельная энергоемкость; приведенные удельные затраты. Интегральным критерием эффективности, высшего ранга является при-I быль, которая формируется в результате функционирования транспорт-

ного комплекса с учетом работы анализируемой подметальной машины.

Начальная скорость отбрасывания материала ворсом цилиндрической щеткой является геометрической суммой векторов еж дующих • скоростей: переносного движения машины, относительного вращения щетки, вьтрдкжения изогнутых прутков ворса после потери ими контакта с дорогой, соскальзывания фрагментов материала с концов прутков ворса под действием центробежных и кориолисовых сил.

. Наименее ис.гледованньщ является влияние на процесс отбрасывания .

• ¡¿_1 I-!

¡последних двух перемещений фрагментов материала. Идеальной мо- 1 делыо процесса отбрасывания загрязнений щеточным ворсом является дифференцированное взаимодействие отдельного упругого элемента и сосредоточенной массы" загрязнений конечных размеров. Указанная конечная масса определяется ее присоединенным воздействием-к концу упругого элемента в процессе восстановления его изгиба и размерами этой массы, которые зависят от пути, и времени соскальзывания ее с конца упругого элемента, что определяет, соответствен- ■ но, угол соскальзывания и абсолютное направление отбрасывания массы концом прутка при потере их взаимного контакта.

Необходимо рассмотреть следующую систему ограничений и допущений:

силы веса, действующие на пруток ворса пренебрежимо малы, при этом возникает погрешность вследствие наличия силы веса прутка, достаточно малая по сравнению с силой его упругости при изгибе, и вследствие действия центробежной силы, которая при ограничении частоты относительного вращения также может быть принята равной нулю;

нелинейная погрешность.вследствие изгиба прутка, приводящая к решению в форле эллиптического интеграла величины прогиба, принимается равной нулю при малых величинах прогиба прутка;

потенциальная энергия изгибной деформации прутка принимается равной реализуемой материальной частицей кинетической энергии, при этом дисспнативные потер! энергии на совершение затухающих колебаний прутка принимаются равными нулю при достаточной величине его модуля относительной изгибной жесткости к малой величине прогиба;

диссплативные затраты энергии на трение частицы о конец прутка'ворса при восстановлении прогиба прзнебрежимо равны

1 э!

[ при потере контакта с дорогой касательная к свободному ко*Д цу прутка перпендикулярна плоскости дороги, по крайней мере, при малой частоте вращения щетки из геометрических условий нарушения контакта прутка с дорогой;

рассматривается процесс единичного взаимодействия материальной частицы с прутком ворса, т.е. одна частица.взаимодействует с одним пруткам ворса или иным упругим элементом;

пруток ворса имеет радиальную глухую заделку в барабан щетки;

аэродинамическое сопротивление прутка вора незначительно. Учитывается аэродинамическое сопротивление при баллистическом перемещении частицы материала;

действием собственной силы тяжести частицы пренебрегаем вследствие ее малого значения по сравнению с инерционными силами. В то же время в режиме свободных колебаний принимается масса прутка и частицы, присоединенной к прутку и сосредоточенной

• у его конид;

потеря контакта частицы и прутка ворса происходит при прохождении частицы пути вдоль прутка, равного характерному размеру - радиусу парообразной частицы. - • Потенциальная энергия упругой изгибной деформации будет

, (I)

• где Хк - конечная величина перегиба упругого элемента относительно радиуса поворота барабана; Р* - изгибающая сила, перпендикулярная данному радиусу поворота. Указанная изгибающая сила

где Ук - конечная ордината изогнутого упругого элемента; М -изгибающий момент, для малых величин угла изгиба можно принять

Ш Ы

и

f"- • • (3)

к

Тогда потенциальная анергия

ок

с _1ЕПХ1 ...

(4)

где Е - модуль упругости; J - момент инерции поперечного сечения упругого элемента. Предложенная А .Б.Ермиловым в результате численного интегрирования .общая зависимость величины конечного прогиба Хк будет ^

— SiHQic , (5)

где J = 0,62 - коэффициент золотого сечения арки упругой линии, численно равен ч

J't/F

S - криволинейная свободная длина упругого элемента; вк- конечный угол изгиба упругого элемента между касательной к его свободному концу и радиальным направлением. Зависимости (4) и (5) определяют выражение .-..'-•■ ...

E.^-f- Е5 (?)

Из условия перпендикулярности конца прутка неподвижному основанию з момент его- отрыва следует, что конечный угол изгиба 0К равен конечному углу ßn поворота барабана в момент отрыва относительно вертикали, при этом 9/с -ß* • Из расчетной схемы (рлс. I) следует

где R - радиус поворота упругого элемента относительно оси барабана; к - величина изгибной деформации упругого элемента в вертикальном направлении; Ry - радиус (в рабана. Из теории

!nJ

Рис. I. Расчетная схема процесса отбрасывания стального шарика

вращащейся щетки

| сопротивления материалов при машх величинах изгиба сведует I Тоща зависимости (3) и (9) определяв? выражение

^д^апЪ&Ь. (Ю)

А.Б.Ермиловым получена экспоненциальная зависимость ищр

-^ = 0Ш)

Кинетическая энергия отбрасываемой массы - стального шарика из условия полной реализации потенциальной энергии из Еп~Е будет

г_ тгГн /то,

Е=—(12)

где ГП - масса стального шарика,

т-—^— (13)

Ко1 - радиус стального шарика; % - объемная масса; $ - ускорение силы тяжести; --начальная абсолютная скорость-отбрасывания шарика. Тогда начальная скорость будет

*«=\Щ? ■ <и> -

из уравнений (7), (II) и (14) получаем зависимость

При условии, полученном в силу сделанных допущений, инеем

После отрыва от упругого элемента стального парика в результате скольжения по его концу под действием сил инерции и тре-

! 13!

!ния происходит свободный полет шарика по баллистической траекто-1 рии. А.Б.Ермиловым использована формула дальности полета дискретных частиц материала под действием инерционных сил, сил тяжести и аэродинамического сопротивления:

где - начальный угол между горизонтом и вектором абсолютной начальной скорости отбрасывания частицы при потере его контакта с упругим элементом; С - аэродинамический коэффициент

С учетом выражения (15.) из формулы (18) получим

Г _ 0,ЭЭ5-Щк-СО$0,5^ /ЕЗСМЯпа^

V ЗЯфкрГ7 (19)

Совместным решением выражений (17) и (19) получим после . преобразований . ....

В результате проведенного анализа получено следующее. Поворот барабана щеточного ротора в момент отрыва конца упругого элемента от опорной поверхности существенно зависит от геометрических соотношений свободной длины, геометрической деформации и радиуса вращения, при этом угол поворота от соотношения дефор- ' ыации и радиуса поворота находится в' экспоненциальной зависимости. Дальность отбрасывания частиц загрязнений по баллистической траектории влияет на коэффициент подобия массы частиц, линейные радиусы фрагментов, начальную скорость отбрасывания и начальный гол отбрасывания относительно горизонта. Объемная масса материг-

!ла и радиус фрагментов являются независимыми величинами; даль- | ность и начальный угол отбрасывания определены экспериментальным путем, а величина начальной скорости - расчетно-эксперименталь-ным путем.

Далее в главе процесс отбрасывания загрязнений ворсом пред-ставлен комплексом дифференциальных уравнений движения фрагмента загрязнений по прутку ворса при восстановлении прогиба прутка, изменения прогиба под действием сил со стороны фрагмента загрязнений и свободных колебаний упругого прутка ворса при' восстановлении прогиба с учетом присоединенной массы загрязнений.

Рассматривая относительное вращение щетки (рис.2 ), восстановление изгиба прутка после отрыва от дороги и скольжение час- 4 тицы вдоль стремящегося к прямолинейному концу прутка до момента потери с ним контакта, получим уравнение

+ С039)+о)гХ ({сО$0-51п8) = 0 , " (21)

где 2 - величина перемещения частицы вдоль касательной к концу прутка; - параметр времени; О)? и сО - соответственно, угловая скорость выпрямления прутка относительно точки заделки Оз и абсолютная угловая скорость.

Восстановление изгиба прутка после'отрыва его от дороги определяется дифференциальным уравнением

Л

ЕЗ J «г

-хсо5б| х5ш9^соз9+((:/Л1Л8^хсозе)1=о. (22)

Свободные колебания изогнутого прутка ворса под действием восстанавливающей упругой силы с учетом присоединенной массы

! 15!

загрязнений определяется дифференциальным уравнением веда

Рс = Р«Хн, , (23)

где Рс - восстанавливающая упругая сила; Рвн — сила инерции свободных холебаний. Соответственно определяя величины сил

•Рс = СХ; > (24)

где С - жесткость прутка, подучим

+ а)2Х =0 , (25)

dfx di2

1С

где а)„ = у/ТгГ "* кРуговая частота собственных колебаний невесомого прутка;с присоединенной сосредоточенной массой.

В результате теоретических исследований разработана методи-_ ка приближенного физического моделирования рабочего процесса цилиндрической щетки, получен комплекс определяющих критериев подобия:

• JSl.'o)^. С • • -

' «о* л' Жз^"' ' i¡F'

где Р , и М - интегральные вертикальная сила взаимодействия с дорогой и момент сопротивления врацених щдаищричеекой щетки; В - определяющий линейшй размер щетки; Е и 3 - модуль упругости и йомент инервди поперечного сечения прутка; U - общее количество прутков ворса щетки; - коэффициент трения прутка о дорогу; - коэффициент трения ворса загрязнений; - коэффициент трения щеточного ворсе по металлической поверхности отражателей; 5 - свободная длина ворса; к - линейная деформация прутка; Йг - радиус барабана щетки; X и - текущие координаты участку прутка; 0 - характерный угол изгибной деформации прутка; Gú¿ - угловая скорость вращения щетки; оОс - собствен-16 , ,

|нал угловая скорость свободных колебаний ворса; ^ - объемная | масса загрязнений; ^ - объемная масса воздуха; С - аэродинамический коэффициент; - масса ворса. На основании системы критериев подобия получены формулы перехода от параметров моде-' ли к параметрам натурного рабочего органа.

В третьей главе приведена методика экспериментальных исследований рабочих процэссов цилиндрической подметальной щетки, которые вкяхши:

1. Однофежторные экспериментальные исследования баллистического отбрасывания фрагментов материала упругим деформируемым элементом. ->

2. Многофакторные экспериментальные исследования для определения влияния геометрических параметров отражателей ворса и решшов работы цилиндрической щетки на силовые характеристики процесса подметания - момент сопротивления вращение щетки и горизонтальную силу взаимодействия щеточного ворса с дорогой.

3. :йгагофахторные экспериментальные исследования для установления зависимости силсз ых и энергетических параметров и эффективности процэсса отбрасывания материала цилиндрической щеткой с боковым изгибом ворса от режимов работы этой щетки.

4. Экспериментальные исследования для сравнительного анализа рабочих процессов косо установленной щетки и щетки с боковым изгибом ворса по эффективности и энергоемкости процесса подметания.

5. Экспериментальные исследования модели щлиндрической щетки со встречным расположением отражателей ворса для исключения из конструкции подметально-уборочных машн промежуточного транспортирующего' звена между щеткой и цепноскребковым транспортером.

| Объектом экспериментальных исследований для первой серии | экспериментов явжлся ротор с упругой стальной пластиной, моделирующей пруток ворса цилиндрической щетки. В качестве отбрасываемых фрагментов использовались стальные шарики с радиусами

5; 6; 7; 8; 9 мм. Для последующих серий экспериментов - физическая модель цилиндрической щетки на стенде физического моделирования (рис.3 ). Подвеска рабочего органа (рис. 4) позволила определять, горизонтальную составляющую сопротивления и крутящий момент на проводе щетки. Подача материала на рабочий орган осуществлялась транспортером, скорость которого регулировала. В качестве физической модели снега использовалась смесь, состоящая из песка, опилок и парафина в соотношении 30:31:39. Подача материала из бункера регулировалась шиберной заслонкой.

При исследовании рабочих процессов цилиндрической подметальной щетки использовался метод многофакторного эксперимента.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования процесса отбрасывания упругим элементом фрагментов с конечшми величинами диаметра и присоединенной массы позволили в чистом виде определить изменение дальности отбрасывания в функции радиуса шарика и частоты вращения барабана и показать влияние масштабного фактора отбрасываемых фрагментов на эффективность их баллистического перемещения. Увеличение- размера фрагмента Яш приводит к снижению эффективности. отбрасывания и увеличению начального угла Ык • Дальность отбрасывания в экспериментально определенных пределах линейно зависит от частоты вращения барабана щетки.

В результате проведенных экспериментальных исследований по взаимодействию модели цилиндрической щетки с дорожшм осно-

. ванием и отражателями ворса получены математические модели, по- .

1-1

Рис. 3. Схема стенда физического моделирования для исследования рабочих процессов цилиндрической подметальной щетки;

I- корпус; 2- натяжной барабан; 3- питающий бункер; 4- шиберная заслонка; 5- разрабатываемый материал; б- рама; 7- клиноременная передача; 8- мотор-редуктор; 9- тензоподвеска; Ю- винт;. II- модель цилиндрической щетки; 12- цепная передача; 13- барабан;, 14- приемный буккер; 15- червячный редуктор; 16- электродвигатель; 17- транспортерная лента; . 18- отражатели ворса

Рис. 4. Схема тензометрической подвески физической модели щетки

^ . ; .

рволяюцие определить влияние геометрических параметров отражатёР] лей ворса (О - шаг установки отражателей, р - угол установки отражателей) и режимов работы цилиндричэской щетки на силовые характеристики процесса подметания. •

Математическая модель момента сопротивления врашению щетки в декодированном виде

М = 1,31 + 0,034 1г + 0,027/> - 0,009Ва + 0,0077 к -- 0,0004— 0,00025а? + 0,000046^-а ; Н • М ; для горизонтального усилия взаимодействия щетки с дорогой математическая модель в декодированном виде \ Р = 0,86К.- 0,058 К?- О.ООЗа-Ь,- 0,00зк-£ + 0,000067^-0 + о,ооо7^>кг- о.оооог^а2 - о,0001^ + о.оооозбЬа + о,оо1к|>,Н;

где к - величина деформации ворса, мм; ^ - угол установки отражателей ворса в горизонтальной плоскости, град; С! - шаг установки отражателей вдоль оси вращения щетки, мм.

Математическая модель момента сопротивления вращении щетки от геометрических параметров-отражателей ворса. ( X. - расстояние ■по горизонтали между концами отражателей и оси вращения щетки,мм; ^ - расстояние по вертикали,- между концами отражателей и поверхностью дорога, мм; о1 - угол наклона отражателей в вертикальной радиальной плоскости вращения щетки, град) в декодированном виде Н = 1,67 - 0,026х + О.ОПу + 0,026с* + 0,04 к - О.ОМх2 + + О.ОООЗу2 + 0,0006¿и- 0,007^т 0,0002зу-0,0003х-с1-0,0002у<* Н.М.

Математическая модель горизонтального усилия в декодированном-виде .

Р = 1,3 + 0,04х - 0,008Ы + 0,001х^+0,0004у^+0,0002о1+ + 0,00031г + 0,0003х-у + 0,008х-к - 0,0008Л-к, Н. При изменении геометрических параметров установки отражателей, которые обеспечивают боковой изгиб щеточного ворса, на величину

ш

•7 / ' •

¡момента сопротивлений вращения щетки наиболее существенное влиГ^П .ние оказывает изгибная деформация ворса между точками заделки его в барабан и отражателями, а на величину горизонтальной силы взаимодействия щетки с дорогой - изгибная деформация ворса на участке между отражателями и дорожным покрытием и продольная сила, которая возникает в прутках ворса в результате взаимодействия с отражателями и одинаково распределяется на первый и второй участки отражателя, влияя на их изгибную кривизну.

В результате реализации четырехфакторного плана эксперимент та по взаимодействию с материалом модели цилиндрической щетки с боковым изгибом ворса были 'полутени в натурном виде следующие уравнения.регрессии: для момента сопротивления вращению щетки Ы = 0,94 + 0,0215" - 0,002 П + 0,08 к. + 0,007 Д2 - 0,0009 -

- 0,00001 п2 +0,03^ - 0,002 Д-к , Н'м. Для горизонтального усилия

Р = 3,44 - 0,06 Д + 0,111/+ 1,2 к + 0,007 Д* - 0,03 И? -

- 0,008 Д-к - 0,0006 П-к , Н. Для высоты' призмы отбрасывания

^ приз® -16,7 + 2,5 А + 0,44 тГ + 0,05 П + 2,5^ 0,3 Д --О.ООб^-О.ОЭк2 40,01 Д-"^ -Ю,001Д-П-Ю,02ДЯ -Л ,0005 ^ П + . + 0,0006 П-к/ , мм, '_ А

где 1т/ - деформация ворса, мм; П - частота вращения, мин-^; А - толщина слоя материала, мм; тГ - переносная скорость подачи материала, м/мин.

Предельными параметрами установки отражателей для эффективного подметания материала являются: шаг установки отражателей О < 39 мм или а/0 < 0,6; угол наклона отражателей в вертикальной плоскости с^ 45° при горизонтальном смещении концов отражателей X < 15 мм или ■ х/5 < 0,23,- где $ - свободная длина

• Ы

| ворса. При уменьшении свободной длины ворса в результате его | абразивного износа в процессе эксплуатации щетки необходит кор-рпктировка смещения концов отражателей, например, исходя из; условия к/$-СОПЗ^ при , оНСО^ . Целесообразной величиной клиренса концов отражателей является ^ = 10...15 мм или

= 0,15...0,23. Угол установки отражателей в плане £=22..'. 30°. Установка отражателей требует корректировки деформации ворса в зависимости от угла установжотражателей в плане.

Сравнительный анализ экспериментальных исследований косо установленной щетки и щетки с боковым изгибом ворса показал, что с ростом угла установки в плане горизонтальная сила и мощность привода-щетки с отражателями возрастают, а косо установленной. 4 щетки гиперболически падают. Относительная динамичность щетки с отражателями ворса по величине момента привода уменьшается в среднем 2,5 раза для углов установки отражателей в плане 30... 35° по сравнению косо установленной щеткой при сохранении' .относительной динамичности по горизонтальной силе взаимодействия щетки с. дорогой, что в целом повышает надежность ворса.

Встречные расположения отражателей ворса обеспечивают перераспределение материала призмы отбрасывания перед щеткой с расположением центра масс призмы отбрасывания перед центральной частью щетки и позволяет осуществлять транспортировку щеткой загрязнений непосредственно на цепно-скребковый транспортер без промежуточного звена транспортировки.

В пятой главе выполнен экспериментально-теоретический анализ отбрасывания фрагментов материала упругим деформированным элементом, позволяющий определить изменение начального угла и начальной скорости отбрасывания от радиуса шарика и частоты барабана. Увеличение размера фрагментов приводит к снижению начальной скорости отбрасывания и увеличению начального угла от- ,

—| ' . . 1_а]

|брасывания вследствие увеличения времени соскальзывания большего! по размерам и более инерционного фрагмента с конца выпрямляющегося упругого элемента. При увеличении.частоты вращения увеличиваются начальные величины скорости и угла отбрасывания. Это демонстрирует действие масштабного фактора на процесс отбрасывания. Разработана методика расчета и выбора основных параметров щеток с боковым изгибом вора. Анализ технико-экономической эффективности показал, что с применением машин с боковым изгибом цеточного ворса уменьшаются приведенные удельные затраты и увеличивается экономический эффект по сравнению базовой машины.

ОСЮЕШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД!

Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов подметания твердых покрытий цилиндрическими щетками Позволяют-сделать ряд выводов и практических рекомендаций, направленных на совершенствование подметального оборудования и техпало-.гии его использования, .'повышение технико-экономической эффектив-. ности применения при содержании городских тротуаров, проездов, дворовых территорий и других работах.

1. Цилиндрические подметальные щетки с боковым изгибом вор- . са позволяют принципиально усовершенствовать процесс подметания за счет сложных деформаций радиального изгиба ворса с кручением при взаимодействии с отражателями и более простым путем, осуществлять реверсирование перемещения смета в сторону' относительно направления движения машины.

2. Эффективность баллистического отбрасывания единичных шарообразных фрагментов при воздействии упругого изгибающегося элемента подвержена масштабному фактору, который определяет влияние на- величины присоединенной кассы упругого элемента и через время

I '241 ||

г -I

соскальзывания фрагмента - на начальный угол отбрасывания. Действие этого масштабного фактора необходимо учитывать при ■формировании граничите условий моделирования процесса отбрасывания.

3. При приближенном физическом моделировании процесса подметания цилиндрической щеткой система была разделена на подсистемы "щеточный ворс - дорога", "щеточный ворс - загрязнения", "загрязнения - воздушная среда", "ворс - отражатели". Подобие процесса основано на геометрическом подобии щеток, кинематическом подобии систем их вращения и силовом подобии модулей изгиб ной деформации и количества прутков ворса.

4. Установлена инвариантность момента инерции поперечно- ■ го сечения прутков ворса и общего количества этих прутков. Уо-ловия приближенного моделирования являются использование близких к натурным модуля упругости ж момента инервди прутков и " соответствия среднестатистических параметров частиц загрязнений при возможной- существенной вариации их объемной массы, а тате натурные величины аэродинашческих коэффициентов и объемной массы воздушной средн.

5. На силовые и энергетические характеристики процесса взаимодействия щеточного ворса с отражателями и дорогой оказывают альтернативное влияние количество ворса,контактирующего с отражателями и дорогой, и соотношение длины изогнутых прутков ворса медду точками заделки их в барабан и отражателями и медду отражателями и дорогой, а также кривизна изгиба прутков на этих

25 I_I

участках. 18омент сопротивления вращению щетьи какболез суще к-венно влияет на деформацию ворса шлду барабаном и отражатели- , ми, а горизонтальная сила - на деформацию ворса меэду отражателя™ и дорогой. При этом продольная сила сжатия прутков, одинаково действует на всех их участках.

6. Наличие толстого сям загрязнений наиболее существенно влияет на рост горизонтальной силы, действующей на щетку. Воо-становленне упругой деформации ворса после потери контакта с дорогой может происходить до момента внхода прутков из забоя, при этом отбрасывание загрязнений происходит частично или. полностью за счет реализации кинетической энергии вращения щетки, путем восстановления упругой деформации ворса.

7. Для цилиндрической щетки с отражателями ворса по сравнению с косо установленной щеткой для углов установки отражателей в плане 22...30° момент и мощность привода щетки возрастают в 2...3 раза; относительная динамичность по моменту ще-вода щетки уменьшается в 2,5 раза. Щетка с отражйтеяяш ворса обеспечивает возможность уменьшения количества проходов при наиболее вероятной ширине тротуаров 2...2,5 м и повышение .. производительности при псдштании. Установка встречных. отражателей позволяет осуществлять транспортировку щеткой загрязнений непосредственно на цепно-скребковый транспортер без

промезут очного звена транспортировки.

8„ Удельныш параштраш отражателей для бокового изгиба щеточного ворса, отнесеншпи к свободной длине ворса, являются: таг установки отражателей 0,6; угол наклона отражателей в вертикальной плоскости 45° при горизонтальном смещении концов отражателей 0,23; клиренс концов отражателей 0,15...0,23; угол установки отражателей в плане 22...33°.

r 1 -

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ахвледиани Х.Д. Стенд для исследования процессов отбрасывания материала цилиндрическими щетками подметальных машин // Совершенствование машин для строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог: Сб. науч.тр. МАДИ. - М., МАДИ, 1990'. - С. 98-101.

2. Ермилов A.B., Ахвледиани Х.Д. Исследование подметальной щетки с боковым изгибом ворса // Автоматизация и современная технология, № 6, 1994. - С. I6-2Q.

3. Ермилов A.B., Ахвледиани Х.Д. Исследование физической модели цилиндрической щетки с боковым изгибом ворса для зимнего подметания твердых покрытий. Деп. в НПО Машмир. - 23 е., 1994,

№ 5СД94. ' .

4. Армилоз A.B., Ахвледиани Х.Д. Подметальная щетка с боковым изгибом вора-// йилищное и коммунальное хозяйство, № б, 1994. - С. 13-15.

5. Ермилов A.B., Ахвледиани Х.Д.-Системный анализ эффективности цилиндрической подметальной щетки. Деп. в НПО Машмир. -

13 е., 1993, ff 18СД93.

6. Ермилов А.Б., АХзледиани Х.Д. Экспериментальные исследования

силовых параметров цилиндрической щетки с боковым изгибом ворса'для летнего подметания дорог и тротуаров. Деп. в НПО Малкир. - 23 е., 1994, J? 4СД94.

7. Ермилов A.B., Ахвледиани Х.Д. Экспериментальные исследования цилиндрической подметальной щетки с боковым изгибом ворса //

■ Повышение эффективности землеройных машин. Материалы республиканской конференции/ - Воронеж, 1992. - С. 19-21.

8. Подметальная машина/ Ермилов A.B., Авхледиани Х.Д. Положительное решение по заявке 50080S3/II МКИ EOI HI/02, 17.03.94 г.

!_I I 27 1

■ • -1

9. Подметальная машина/ Ермилов А.Б., Ахвледиани Х.Д. Положительное решение по заявхе 92012846Л1 МКИ 001 И/02, 9.03.94 г.

10. Подметальная машина/ Ермилов A.B., Петраков В.Е., Ахвледиани Х.Д., Хоркин A.B. Положительное решение по заявке 4923359/П МКИ BDI HI/02 , 28.10,93 г.

11. Способ исследования цилиндрических щеток подметалыых машин/ Ермилов A.B., Ахвледиани Х.Д.'Положительное решение по заявке

„ 920I4558/II МКИ E0I Н1/Э0, 9.03.94 г.

12. Стенд для исследования рабочих органов подметальяо-уборочных машин/ Ермилов A.B., Ахвледиани Х.Д. Положительное решение по

заявке 4822967/11 МКИ BDI HI/D0 , 27.03.92 г.

13. Стенд для исследования рабочих органов дорожных машин/ Ермилов A.B., Ахвледиани Х.Д. и др. Положительное решение по заявке 4944109/11 МКИ EQI HI/00 , 26.06.92.

14. A.C. № I72II64 (СССР). EDI Hl/02. Рабочий орган подметалько-уборочной машины/ А.Б.Ермилов, В.В.Хоминич, А.В.Хоркин,

. X.Д; Ахвледиани.. - Опубл. в Б.ИМ J992, Р II. "...

15. A.C. № 1730332 (СССР). Ю1 HI/02. Рабочий орган подметально-уборочной машины/ А.Б.Ерлилов, Б.ВЛ5емикич,-Х.Д.Ахвледиани, t.В.Хоркин, В.Е.Петраков. ,-Опубл.в Б.И., 1992, № 16.

I_I

л

Подписано к печати & 199 Уг

Отпечатай на ротапринте в Фораат бу?«зги 30x42/4 Производственном комбинате Объем У п.-л. Литературного фонда Зак. 9 Тир. 100